【手続補正書】
【提出日】平成17年11月1日(2005.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】運転効率最適化のため主動力出力能力に適合するインピ―ダンスをもつ発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】出力軸が速度ωで回転し、速度ωによりωの各値において出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関数が決定される主動力手段と、前記軸の回転に応じて電力を供給し、発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が前記勾配Ｍd に近似するようにインピーダンスが選ばれる発電機手段とを有する、電力発生装置。
【請求項２】前記装置の効率を増大するように軸回転の速度を制御する手段をさらに有する請求項１の装置。
【請求項３】発電機インピーダンスが勾配Ｍd の約２倍より大でない作動曲線勾配Ｍg を与える請求項１の装置。
【請求項４】発電機インピーダンスが勾配Ｍd の約半分より小でない作動曲線勾配Ｍg を与える請求項１の装置。
【請求項５】約１５００ rpmより小さい回転速度ωについて発電機の最大電力出力の約１０％より小さい、低電力出力を前記発電機手段が供給する請求項１の装置。
【請求項６】約１０００ rpmより小さい回転速度ωについて発電機電力出力が供給されない、請求項５の装置。
【請求項７】主動力手段が炭化水素燃料燃焼エンジンである請求項１の装置。
【請求項８】前記エンジンがハイブリッド電気車のターボディーゼルエンジンである請求項７の装置。
【請求項９】下記段階から成る電力発生方法：（ａ）出力軸が速度ωで回転し、速度ωにより、ωの各値において出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関数が決定される主動力手段を設けること、（ｂ）前記出力軸の回転に応じて電力を発現する発電機を設けること、（ｃ）発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に近似するように、発電機インピーダンスを選ぶこと。
【請求項１０】勾配Ｍg が勾配Ｍd に対し比率２の範囲内にある請求項９の方法。
【請求項１１】発電機の効率を最大にするように主動力速度ωを変化させる段階をさらに含む、請求項９の方法。
【請求項１２】界磁励起を有しない発電機を運転する段階をさらに含む請求項９の方法。
【請求項１３】予め選ばれた最小のω値より上でのみ有意の電力出力を供給するように発電機を選ぶ段階をもさらに含む、請求項９の方法。
【請求項１４】下記段階から成る、ハイブリッド電気車の電力を発生する方法：（ａ）出力軸が速度ωで回転し、速度ωにより、ωの各値において出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関数が決定される主動力を設けること、（ｂ）前記出力軸の回転に応じて電力を発現する発電機を設けること、（ｃ）発電機出力電力対ωの関数が勾配Ｍd に近似する勾配Ｍg をもつように、発電機インピーダンスを選ぶこと。
【請求項１５】勾配Ｍg が勾配Ｍd に対し比率約２の範囲内にある請求項１４の方法。
【請求項１６】発電機の効率を最大にするように主動力速度ωを変化させる段階をさらに含む、請求項１４の方法。
【請求項１７】界磁励起を有しない発電機を運転する段階をさらに含む、請求項１４の方法。
【請求項１８】予め選ばれた最小のω値より上でのみ有意の電力出力を供給するように発電機を選ぶ段階をもさらに含む、請求項１４の方法。
【請求項１９】ディーゼルエンジンである主動力を選ぶ段階と、入力軸を有する交流発電機である発電機を選ぶ段階と、エンジン出力軸を発電機入力軸に直接連結する段階をさらに含む、請求項１４の方法。
【請求項２０】界磁励起を有しない発電機を運転する段階と、発電機の効率を最大にするように主動力速度ωを変化させる段階と、予め選ばれた最小のω値より上でのみ有意の電力出力を供給するように発電機を選ぶ段階をさらに含む、請求項１９の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は主動力駆動発電機に関し、特に動力の全速度範囲にわたり最大の効率と最小の排出をもたらすように、主動力の出力駆動能力に適合して内部インピーダンスが選ばれた新規な発電機に関する。
【従来の技術】発電機をその回転子軸に取り付けた主動力により駆動することはよく知られている。典型的には、発電機の界磁コイルの励起に応じて発電機の電気出力が供されるが、界磁コイル自体およびそれと別個の界磁励起電子回路はいずれもコスト高で望ましくない。さらに、励起された界磁コイルの使用はしばしば発電機が低い効率で運転される原因になる。これは通常望ましくないことで、特に主動力と発電機の組合せが電動車に組み込まれ、車輪がその発電機から直接又は間接的に供給される電力を受けるモーターで駆動される場合、そうである。効率の向上は燃料消費を改良するだけでなく、汚染やその他の望ましくない特性の低減をもたらす。
【発明が解決しようとする課題】それ故、界磁コイルおよび界磁励起手段をもたず、主動力により直接に最大効率で駆動される、永久磁石発電機を供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】本発明によると、主動力が出力軸をもち、その速度ωにおける回転が、ωの各値について出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関数を決定し、出力軸はその軸の回転に応じて電力を発現するよう発電機と結合され、そして発電機の電気インピーダンスは発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に近似するように選ばれ、それにより効率の向上を可能にする。現在の好ましい実施態様では、発電機勾配は主動力勾配との比が２の範囲内にある。作動曲線勾配Ｍdが0.15 hp/rev 程度である主動力ディーゼルエンジンを有するハイブリッド電動車に用いる場合、発電機電気インピーダンスＺは作動曲線勾配Ｍg が約0.075 hp/revと約 0.3 hp/rev の間になるように選ばれる。それ故、本発明の一つの目的は、発電機の作動特性が駆動エンジンのそれに合うように選ばれたインピーダンスを有する、エンジン駆動発電機を提供し、それにより効率を向上することにある。 本発明のこれらの目的は、以下の詳細な説明を考慮すれば、それを添付の図面と関連して読むとき当業者にとって明白であろう。添付の図面で同様の要素は、同様の照合符号で示される。
【発明の実施の形態】まず図１を参照すると、システム１０は、例えばハイブリッド電動車などのための動力システムで、主動力としてエンジン１１を用いている。燃料源１２はエンジンの燃料入力１１ａに連結され、燃料はエンジン内で燃焼され、出力軸１１ｓを回転速度、すなわち周期ωで回転させる。エンジン軸１１ｓの回転速度ωは、エンジン／負荷制御手段１４の出力１４ｂからエンジン制御入力１１ｂに与えられる信号に応じて設定される。手段１４には、発電機負荷１８へ又はそれから、電気配線バス１６を経て信号を受信又は送信するように少なくとも一つの入力／出力ポート１４ａが接続されており、センサー、スイッチ及び、ハイブリッド電動車などの中の車輪駆動モーターのような、一つ以上の最終作用体に結合されたトランスジューサ及び／または作用体を、有してもよい。 エンジン軸１１ｓは、負荷１８との接続のため、発電機出力端子２０ａと２０ｂの間に交流出力電圧Ｖg を生成するように発電機手段２０の回転子軸２０ｓに直接に連結されている。一般に、発電機２０はこれまで励起界磁形式のもので、内部に界磁コイル２０ｆ（模擬線で表示）を有し、界磁励起手段２２の界磁励起出力２２ｆに接続されている。手段２２の典型的なものは、発電機電気出力に接続された入力２２ａ，２２ｂを、交流電圧の監視のために有する。また指令や、他の検出されたパラメータやその他の信号を受信するための制御入力ポート２２ｃを有する。それにより入力信号の全てが、発電技術でよく知られた方法で、界磁コイル（２０ｆ）励起信号特性を制御することにより発電機電圧Ｖg を設定するために利用可能になる。本発明の一観点によると、発電機２０は永久磁石型であり、励起コイル２０ｆを全くもたず、システム１０は同様にいかなる形の界磁励起手段２２ももたず、またそのような界磁励起手段に伴う特別のセンサや、駆動体や、電気接続を何ももたない。ハイブリッド電動車などに見られるような例示的発電機負荷１８は、整流により蓄電池２６上に現れるパルス状直流電圧Ｖ’とするため、発電機端子２０ａと２０ｂからの交流電圧Ｖg を受け入れるための全波整流（ＦＷＲ）手段２０を含んでもよい。被制御スイッチ手段２８は、蓄電池２６に対し直流電動機のような可変負荷３０と直列に接続されている。手段２８と手段３０の直列結合は、従って電池手段２６と並列に、そしてＦＷＲ手段２４の出力にわたり接続されている。被制御スイッチ手段入力２８ａにおける電位（電気ポテンシャル）は、入力２８ｃにおける制御信号の状態に応じてその出力２８ｂに（かつ従って負荷３０に）選択的に結合される。この信号は例えばバス１６等を経て与えられる。次に図２も参照すると、発電機電圧Ｖg は常にあるピーク値のバイポーラＡＣ電圧２０ｗである（それは極大値Ｖcc、すなわち発電機開回路電圧を有するであろう、そして発電機直列負荷Ｚを通ずる発電機電流に起因する電圧降下により典型的には幾分低い大きさであろう）。手段２４の出力電圧Ｖ’の中で、負極性半周期２０ｎ（破線で示す）は全波整流過程により反転される。等極性電圧Ｖ’は正極性突出２０ｐのみから成る。手段２４の整流ダイオードが逆バイアスされたときには、電流Ｉ’は流れない。それは、ＦＷＲ手段出力にわたり接続されている電池手段２６の電圧Ｖb より電圧Ｖ’の瞬間的値が小さければ、いつでも起きる。しかし電圧Ｖ’が瞬間的に電池電圧Ｖb より大になるやいなや、ＦＷＲ手段２４のダイオードが順バイアスされ、電流Ｉ’のパルス３２が、図２の下側の波形に示すように、いくつかのピーク値Ｉp まで流れる。スイッチ２８が非導通であれば、電流Ｉ’の全てが電池２６を充電および再充電する。スイッチ２８が導通であれば、手段２４又は電池２６の一方又は両方から電流が手段２８を経てさらに電気負荷３０へ流れる。 永久磁石発電機（ＰＭＧ）手段２０は図３に示されるようなThevenin等価回路をもつ、すなわち発電機端子２０ａと２０ｂとの間に、値Ｖcc（発電機入力軸２０ｓの回転速度ωの関数である）の正弦波電源２０ｙを、直列抵抗２０ｒ及び直列リアクタンス２０ｘから成る発電機インピーダンス２０ｚと直列に有する。本発明の一観点によると、発電機インピーダンス２０ｚの値Ｚは、ある特定の作動勾配Ｍg を設定するべく選ばれ、このＭg は軸速度Ｓ（１分当たり回転数）に対する力量Ｐ（馬力）の変化として定義されるが、以下に詳細に討議されるごとく、エンジンＰ／Ｓ曲線の勾配Ｍd に適合することが望ましい。勾配Ｍg は、抵抗成分大きさＲおよび／またはリアクタンス成分大きさＸの操作により設定しうる。次いで図４を参照すると、グラフ４０にはエンジン１１の回転速度Ｓ（毎分回転数（ｒｐｍ））が横軸４１に、エンジン出力Ｐ（単位馬力）が縦軸４２に沿って、打点されている。特定のディーゼルエンジン１１について、極大パワーＰmax 曲線４４とともに、エンジン・軸負荷間の公知の結合によって、正味パワーＰnet 曲線４４’が得られる。曲線４４’は曲線４４の近くをたどり、この特定のエンジンについては、パワー対速度曲線４４は約(240−60) ｈｐ／（2000−800)rpm ＝0.15hp／rev の勾配Ｍd をもつ。発電機２０は、その出力電圧Ｖg により定まる作動曲線４６をもつ。Ｖg 自体は、整流後には電池電圧Ｖb に等しい。従って、同発電機は電池電圧の最低限度（ここでは約４５０Ｖdc）に対し，出力電力対軸２０ｓの速度Ｓの第一の作動曲線４６ａと、より大きいＶb 値（ここでは約５００，５４０，５８０，６２０Ｖdc）に対してそれぞれ、別の作動曲線４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ，４６ｅを有する。 本発明によると、発電機インピーダンスＺは発電機作動曲線４６が、エンジン作動勾配Ｍd に近似の勾配Ｍg をもつように選ばれる。典型的には、どんな速度Ｓに対する発電機曲線４６の勾配Ｍg も、同じ速度でのエンジン曲線４４の勾配Ｍd との関係が２以下の比に収まる。例えば、最小の発電機作動曲線勾配Ｍg,min が約Ｍd ／２、最大の発電機作動曲線勾配Ｍg,max が約２Ｍd である。例を示すと、Ｍd が0.15であるエンジンについて発電機曲線４６の最小の勾配は約0.075 （曲線４５ａの上端でのように）、最大の発電機曲線勾配Ｍg は約0.３（曲線４６ｅの下端でのように）。従来公知のエンジンー発電機結合において、伝統的発電機作動曲線４８は約0.４馬力／回転の勾配Ｍold を典型として有していた。本発明による整合エンジンー発電機対は従来の発電機の作動勾配より小さい作動曲線勾配を有し、典型的には従来の発電機勾配より２または３分の一小さい。２４０ピーク馬力のディーゼルエンジンと、約４５０ボルトと約６２０ボルトの間のピーク交流電圧の電力を出力する永久磁石発電機２０という、特定の組合せについて、発電機２０は主動力とのインピーダンス整合のためだけでなく、発電機が約１０００rpm 未満の回転速度において出力電力を生じなくなるように選ばれることが、わかるであろう。それ故、ピーク電力の約５％より大きいことで定義される有意な電力は、用いた特定エンジンに排出の増大その他の望ましくない特性をもたらす低速領域より上に選ばれた速度に限り供給される。本発明の他の観点によると、有意の発電機出力電力が１０００ rpmと１２００rpmの間の軸速度で始まるようにすると、エンジン放熱を減少させ、しかもディーゼルターボが全ディーゼル運転速度を落とさないだけの充分な速度を得る迄、ディーゼルエンジン１１には負荷を与えない。しかも、燃料消費が増える前に約１２００ rpmまでエンジンを徐々に加速するように、ディーゼルエンジンの燃料噴射システムを調節し、低い末端トルク要求に対応し、従ってエンジン１１からのガスおよび粒子の排出を減らすようにすることができる。最後に図５を参照すると、グラフ５０で横軸５１には負荷電流Ｉl 、縦軸５２には負荷電圧Ｖl が打点されている。負荷（モーター３０）は、破線で示したＶ−Ｉ曲線５３をもつ一定の電力負荷である。この曲線は負荷モーターに与えられた電力であり、曲線５３上のどの点でも、発電機電圧Ｖg にほぼ等しい作動電圧と作動電流との積である。設定速度において発電機２０は、電池システム電圧点Ｖb により定まる電力を生ずる発電機電力曲線に従って作動するであろう。例示のために、実線曲線５５により与えられる第一の作動速度発電機動力曲線を想定する。この曲線は第二の曲線５６の中間速度（例えば１８００ rpm）より高い速度（例えば２０００ rpm）のものであるとし、それは第三の作動曲線５７の低めの速度（例えば１８００ rpm）よりはまだ高いとする。もし発電機の電力要求がある速度での発電機能力より著しく低いと、例えば曲線５５上で２０００ rpmだとすると、電流Ｉは当然低下して、システムがもっと効率の低い点で作動するようになる。曲線５５上で最大の効率は点５５ａにおいて得られ、回転子損失の増加が矢印Ａの方向に、Ｉ2 Ｒ損失の増加が矢印Ｂの方向に起きる。唯一可能な作動点は曲線５３と５５とが交わるところ、すなわち点５５ｐと５５ｐ’である。比較的高い発電機電圧は通常、点５５ｐでの運転を要求する。このとき効率はその発電機曲線５５に対する最大効率よりずっと低い。点５５ａからかなり離れた電圧Ｖo,1 と電流Ｉl,1 での運転をコントローラ１４が認識し、発電機の効率を増大させるように、ディーゼルエンジン１１の速度を調節、例えば減速する。若干おくれて発電機速度は低下し、発電機２０は発電機曲線５６に沿って作動するに至る。正確な作動点は、曲線５３と５６とが交わる点５６ｐとなる。作動点５６ｐはこの新たな速度での発電機の最大効率作動点５６ａから、なおかなり遠く離れている。それ故、コントローラ１４はエンジン速度を、曲線５７を作る速度に達するまで引き続き減少させる。そのとき発電機は、最大作動効率点５６ａに極めて近い点５７ｐで運転される。発電機軸を回転させるエンジンに発電機のイ��ピーダンスＺを整合することにより、最低約９４％の効率が得られることが見出された。曲線４８のような作動曲線をもつ発電機の典型的な効率８５％と対比される。本発明をその一つの好ましい実施態様に関して記述したが、多くの変更と変形が当業者には今や明白であろう。それ故、添付の請求の範囲によってのみ制限されることが私の意図するところであり、記述によりここに呈示された詳細および方法によって制限されることを意図してはいない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド電動車等でよく見られるようなエンジン駆動発電機およびその負荷の、模式ブロック図である。
【図２】本発明のエンジン駆動インピーダンス整合発電機により与えられる電圧と電流を示す関連グラフの組である。
【図３】本発明の新規な整合発電機のテベニン(Thevenin)等価回路である。
【図４】特定のディーゼルエンジンの最大および正味動力曲線、従来の非整合発電機の作動曲線、および本発明の新規な整合発電機についての作動曲線の組を示すグラフである。
【図５】電圧電流作動曲線および一つの特定作動シナリオに対する定負荷対電力曲線を示すグラフで、主動力対発電機効率が本発明の原理により向上される様子を示している。
【符号の説明】
１０ システム
１１ エンジン、ディーゼルエンジン
１１ａ 燃料入力
１１ｂ エンジン制御入力
１１ｓ エンジン軸、出力軸
１４ エンジン／負荷制御手段、コントローラ、制御手段
１４ａ 入力／出力ポート
１４ｂ 出力
１６ 電気配線バス
１８ 発電機負荷（手段）、負荷
２０ 発電機（手段）、永久磁石発電機（ＰＭＧ）手段
２０ｓ 回転子軸、発電機入力軸
２０ａ，２０ｂ 発電機出力端子
２０ｆ 界磁コイル
２０ｎ 負極性半周期
２０ｐ 正極性突出
２０ｗ バイポーラＡＣ電圧
２０ｒ 直列抵抗
２０ｘ 直列リアクタンス
２０ｙ 正弦波電源
２０ｚ 発電機インピーダンス
２２ 界磁励起手段
２２ａ, ２２ｂ 界磁励起入力
２２ｃ 制御入力ポート
２２ｆ 界磁励起出力
２４ 全波整流（ＦＷＲ）手段
２６ 蓄電池、電池（手段）
２８ 被制御スイッチ手段、スイッチ手段
２８ａ 被制御スイッチ手段入力
２８ｂ 出力
２８ｃ 入力
３０ 可変負荷、電気負荷
３２ パルス
４０ グラフ
４１ 横軸
４２ 縦軸
４４ 極大パワーＰmax 曲線
４４’ 正味パワーＰnet 曲線
４６ 作動曲線、発電機（作動）曲線
４６ａ 作動曲線
４６ｂ, ４６ｃ, ４６ｄ, ４６ｅ 作動曲線
４８ 伝統的発電機作動曲線
５０ グラフ
５１ 横軸
５２ 縦軸
５３ Ｖ−Ｉ曲線
５５ （発電機）曲線
５５ａ 点
５５ｐ，５５ｐ’ 点
５６ （発電機）曲線
５６ａ 最大効率作動点
５６ｐ 作動点
５７ 作動曲線
５７ａ 最大作動効率点
５７ｐ 点